ВАХ диода: схема. ВАХ полупроводникового, выпрямительного, туннельного диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) является важнейшей опорной точкой при выборе и эксплуатации диодов в различных схемах и устройствах. Анализ ВАХ позволяет оптимизировать параметры схем, диагностировать неисправности, прогнозировать работоспособность.

Вводная часть о диоде и ВАХ

Диод – это полупроводниковый прибор, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Он широко используется в выпрямителях, стабилизаторах, ограничителях, детекторах и других устройствах.

ВАХ диода – это график зависимости тока от приложенного напряжения. По ВАХ можно определить основные статические и динамические характеристики диода.

Анализ ВАХ позволяет:

• Выбрать нужный тип диода для конкретного применения
• Рассчитать параметры схем с диодами
• Диагностировать неисправности диодов
• Спрогнозировать поведение диода в разных режимах

Существует несколько разновидностей ВАХ для разных типов диодов. Рассмотрим основные из них.

ВАХ идеального полупроводникового диода

Идеальная ВАХ строится без учета влияния реальных факторов, таких как температура, паразитные параметры схемы и т.д. Она позволяет оценить базовые свойства диода.

Характерные участки ВАХ

На идеальной ВАХ диода можно выделить несколько характерных участков:

1. Область запирания (малые прямые напряжения)
2. Активная область (увеличение прямого тока)
3. Насыщение (предельный прямой ток)
4. Область обратных напряжений (массимально допустимые)

На рисунке 1 представлена идеальная ВАХ диода с обозначенными характерными участками.

При малых прямых напряжениях диод заперт, прямой ток bla-bla-bla

В активной области происходит резкий рост прямого тока bla-bla-bla

В области насыщения диод близок к короткому замыканию, прямой ток достигает предельного значения и перестает зависеть от напряжения bla-bla-bla

Параметры идеальной ВАХ

Основные параметры идеальной статической ВАХ диода:

• Напряжение отпирания Уотп
• Дифференциальное сопротивление рдиф
• Прямое падение напряжения Упр
• Обратный ток Иобр

Динамические параметры идеальной ВАХ:

• Время восстановления обратной проводимости твосст
• Заряд восстановления обратного сопротивления Qrr

Далее подробнее про каждый параметр.

В таблице приведено сравнение параметров ВАХ идеального и реального диода:

Как видно из таблицы, для реального кремниевого диода.

Параметры реальной ВАХ

Ключевые параметры реальной статической ВАХ:

• Напряжение отпирания Уотп
• Сопротивление при прямом включении Рпр

Напряжение отпирания реального диода выше, чем у идеального. Это связано с влиянием паразитных сопротивлений и емкостей p-n перехода...

Сопротивление Рпр определяет крутизну начального участка ВАХ, чем меньше его значение, тем лучше характеристики диода.

Динамические параметры реальной ВАХ

Основные динамические параметры реальной ВАХ диода:

• Время задержки отпирания тзо
• Время нарастания прямого тока тнар

Время задержки отпирания определяет быстродействие диода при подаче прямого напряжения. Для импульсных диодов это время составляет единицы наносекунд...

Время нарастания прямого тока характеризует инерционность диода в активной области ВАХ. Чем меньше тнар, тем лучше диод подходит для высокочастотных применений.

Температурные эффекты

С повышением температуры p-n перехода растет обратный ток диода, уменьшается напряжение отпирания. На графике ВАХ смещается вверх.

ВАХ выпрямительного диода

Выпрямительные диоды используются в схемах выпрямления переменного напряжения. Их ВАХ оптимизирована для работы с большими токами и амплитудами напряжения.

ВАХ туннельного диода

Туннельные диоды обладают уникальной ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет использовать их в генераторах, триггерах и других схемах.

Особенности ВАХ выпрямительных диодов

Для выпрямительных диодов характерны следующие особенности ВАХ:

• Высокие допустимые обратные напряжения (до нескольких киловольт)
• Большие допустимые прямые токи (десятки-сотни ампер)
• Низкое падение напряжения в прямом включении
• Высокие импульсные токи и мощности

Эти особенности обеспечивают эффективную работу выпрямительных диодов в схемах выпрямления переменного напряжения сРЕДмах значительными токами и амплитудами.

Расчет параметров схем выпрямления по ВАХ диода

Используя ВАХ выпрямительного диода, можно рассчитать:

• Амплитуды и средние значения выпрямленного напряжения
• Действующие и средние значения выпрямленного тока
• Коэффициенты пульсаций и выпрямленного напряжения
• Мощность, рассеиваемую на диоде
• Падение напряжения в прямом включении диода

Применение туннельных диодов

Благодаря уникальной ВАХ, туннельные диоды применяются в таких схемах как:

• Генераторы сверхвысоких частот
• Триггеры и мультивибраторы
• Преобразователи напряжения
• Усилители СВЧ диапазона

Отрицательное дифференциальное сопротивление позволяет туннельным диодам генерировать колебания без дополнительных реактивных элементов в цепи.

Особенности ВАХ туннельных диодов

Для туннельных диодов характерна нелинейная ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением в определенном диапазоне напряжений.

Это обеспечивает следующие эффекты:

• Генерация колебаний без реактивных элементов в цепи
• Очень высокие рабочие частоты (СВЧ диапазон)
• Высокая чувствительность тока к напряжению
• Быстродействие переключения туннельного диода

Моделирование ВАХ в SPICE

Для анализа схем с диодами удобно использовать SPICE-моделирование. Модели диодов учитывают нелинейность ВАХ и паразитные параметры.

Это позволяет точно прогнозировать поведение схемы с реальными характеристиками элементов.

Снятие ВАХ диода экспериментально

Для снятия ВАХ диода в реальных условиях используется измерение тока и напряжения при пошаговом изменении напряжения на диоде от источника питания.

Строится график зависимости I = f(U). Сравнение с паспортными данными позволяет диагностировать дефекты диодов.

Диагностика неисправностей диодов по ВАХ

Отклонения экспериментальной ВАХ от номинальных характеристик указывают на такие типовые неисправности диодов как:

• Пробой p-n перехода
• Увеличение обратных токов
• Снижение напряжения отпирания